Исследователи видят, как крошечные квантовые флуктуации двигают человеческое зеркало

Эффект и явления квантовой механики обычно проявляется в масштабе, намного меньшем, чем то, что мы испытываем нашими чувствами, но это не значит, что их там нет. Исследователи показали, что квантовое влияние на макроскопический мир измеримо даже в объектах человеческого размера.

Как сообщили сегодня в Nature, исследователи измерили движение 40-килограммового зеркала из-за воздействия лазера внутри LIGO, обсерватории гравитационных волн. Ученые впервые измерили квантовое влияние для макроскопического объекта.

«Атом водорода составляет 10 -10 метров, поэтому смещение зеркал к атому водорода является тем же, что и для нас атом водорода – и мы это измерили», – говорит в заявлении соавтор Ли МакКаллер, научный сотрудник Института астрофизики им. Кавли при Массачусетском технологическом институте.

Команда измерила квантовую корреляцию между зеркалом и фотонами (частицей света) в лазере. Фотоны не имеют массы, но они несут импульс, поэтому мы можем использовать их на солнечных парусах. Этот импульс передается в зеркало.

В квантовой механике есть небольшое противное явление, известное как принцип неопределенности Гейзенберга. Чем точнее вы знаете положение чего-либо, тем менее точно вы знаете его импульс. И наоборот.

Для обнаружения гравитационных волн очень важно знать положение зеркала, чтобы понять изменились ли оно в пространстве-времени. Но действие фотонов все портит, добавляя этот импульс. Это создает квантовый шум, предел точности, с которым может работать детектор.

Есть особые способы избежать ограничения и немного уменьшить квантовый шум, и это то, что они демонстрируют в этой работе. Квантовый шум есть, но он меньше, чем ожидалось. Цель этой работы – «манипулировать квантовым шумом детектора и уменьшить его удары по зеркалам таким образом, чтобы в конечном итоге улучшить чувствительность LIGO при обнаружении гравитационных волн», – объяснил ведущий автор Хаокун Ю, аспирант физики в MIT.

Два детектора LIGO являются лазерными интерферометрами. Они имеют L-образную форму, каждая рука вытянута на 4 километра. Луч лазера разделяется и попадает в каждую руку, где он отскакивает от зеркала в конце. Когда луч возвращается, он снова соединяется. Если пути двух лазеров имеют различную длину, например, из-за эффекта пространственно-временного искажения, гравитационная волна проходит через детектор.

LIGO — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория.
LIGO — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория

Существует много неопределенностей, так как приборы фиксируют движения, намного меньшие, чем атом, и поэтому ученые очень осторожны в минимизации множества источников шума. При этом они также уменьшают влияние квантового шума.

«Что особенного в этом эксперименте, так это то, что мы видели квантовые эффекты размером с человека», – сказал старший автор Нергис Мавалвала, профессор и доцент кафедры физики в Массачусетском технологическом институте. «Мы тоже, каждую наносекунду нашего существования, подвергаемся воздействию этих квантовых флуктуаций. Просто дрожание нашего существования, нашей тепловой энергии, слишком велико для того, чтобы эти квантовые флуктуации вакуума могли измеримо повлиять на наше движение. С помощью зеркал в LIGO мы проделали всю эту работу, чтобы изолировать их от теплового движения и других сил, так что теперь их все еще достаточно, чтобы их можно было отбросить квантовыми флуктуациями и этим жутким попкорном вселенной».

DOI: 10.1038/s41586-020-2420-8